祝勝 程雪辰

摘要：姚江上游余姚西分工程是浙江省重點(diǎn)建設(shè)工程，其瑤街弄調(diào)控樞紐擋洪閘的工作閘門為露頂式平面直升鋼閘門，吊點(diǎn)間距45.0 m，閘門設(shè)計(jì)建造面臨不能整體入槽、質(zhì)量要求嚴(yán)、外觀要求高、現(xiàn)場(chǎng)施工安全風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)和難點(diǎn)。結(jié)合工程實(shí)際，通過深入分析，提出了閘門分段分節(jié)安裝方法，解決了閘門不能整體入槽的難題；通過提出閘門拼裝質(zhì)量保證技術(shù)，使超大跨度平面鋼閘門在門槽內(nèi)拼裝的整體質(zhì)量依然滿足規(guī)范要求；通過研究大型景觀浮雕與水工鋼閘門結(jié)合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了閘門外觀與功能的結(jié)合；通過發(fā)明一種安全防護(hù)裝置，降低了門槽內(nèi)拼裝閘門的安全風(fēng)險(xiǎn)。研究成果可為類似工程項(xiàng)目提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：平面鋼閘門； 超大跨度； 門槽內(nèi)拼裝； 外觀設(shè)計(jì)； 安全防護(hù)

中圖法分類號(hào)： TV663

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.024

0引 言

姚江上游余姚西分工程位于浙江省寧波市余姚市，是浙江省重點(diǎn)建設(shè)工程。工程通過在姚江上游瑤街弄興建調(diào)控樞紐，新增姚江分洪出路，豐富流域防洪調(diào)控手段，減輕洪水期對(duì)余姚城區(qū)及姚江干流的防洪壓力。工程主要由瑤街弄調(diào)控樞紐、新開姚江至“北排”排澇通道及沿途泵閘站等建筑物組成［1］。其中瑤街弄調(diào)控樞紐擋洪閘工作閘門的門型為露頂平面直升鋼閘門，吊點(diǎn)間距45.00 m，是國內(nèi)跨度最大的平面直升鋼閘門，其設(shè)計(jì)建造具有顯著特點(diǎn)和難點(diǎn)。本文主要介紹該超大跨度平面鋼閘門入槽方法、質(zhì)量保證、外觀設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)安裝防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用情況，以期為類似閘門設(shè)計(jì)建造提供參考。

1工程概況

瑤街弄調(diào)控樞紐按“三閘聯(lián)建”方案布置，擋洪閘

位于姚江河道正中間，南側(cè)布置削峰調(diào)控閘，北側(cè)布置應(yīng)急船閘。擋洪閘上下游正對(duì)姚江Ⅲ級(jí)限制性航道，主要功能是在汛期下閘擋洪，平時(shí)常開過流通航，在姚江流域發(fā)揮防洪減災(zāi)和保持航運(yùn)暢通的重要作用。

擋洪閘按單孔布置，孔口寬度45.30 m，考慮閘室鋼護(hù)舷厚度（2×0.15 m），凈寬45.00 m，底檻高程-3.67 m，設(shè)置工作閘門1扇。門型為露頂平面直升鋼閘門，門葉寬47.60 m，門高8.30 m，門厚3.824 m，重量約 340 t。門葉為桁架式結(jié)構(gòu)，設(shè)置3榀水平主桁架，水平主桁架間距3.20 m，主要弦桿截面為焊接組合結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)間距3.80～4.00 m。水平梁系及縱向聯(lián)結(jié)系等結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q345B。

工作閘門平時(shí)鎖定在門槽頂部11.00 m高程處，通過設(shè)置在22.00 m高程啟閉平臺(tái)上的固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)進(jìn)行啟閉操作。工作閘門和啟閉機(jī)布置見圖1，擋洪閘設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

2閘門設(shè)計(jì)建造主要特點(diǎn)及難點(diǎn)

（1） 閘門跨度大，運(yùn)行工況復(fù)雜。國內(nèi)的桁架平面閘門跨度均在35.00 m以下，但該工程桁架閘門吊點(diǎn)跨度為45.00 m，是目前國內(nèi)跨度最大的平面直升鋼閘門。桁架閘門一般用做檢修門，靜水啟閉；而該工程桁架閘門為工作門，需動(dòng)水啟閉，水流條件更為復(fù)雜。一般的桁架閘門多采用疊梁形式，分節(jié)操作，單節(jié)起吊重量小，而該工程閘門重約340 t，采用整體桁架結(jié)構(gòu)，吊點(diǎn)設(shè)置在邊柱，閘門開啟瞬間，除了自重作用，還需疊加水壓力作用下產(chǎn)生的內(nèi)力，邊柱應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。

（2） 閘門的巨大體積和重量使制造、運(yùn)輸及安裝難度加大。按工程進(jìn)度計(jì)劃，此閘門安裝工期短，現(xiàn)場(chǎng)存在交叉作業(yè)，施工干擾多；受門槽周圍土建結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件所限，閘門不能整體入槽；因閘門水封、支承滑塊系統(tǒng)等受I型門槽限制，對(duì)閘門空間三維方向尺寸都有很高的精度要求，閘門制造和安裝面臨較多難題。

（3） 如此規(guī)模的閘門僅在汛期較短時(shí)段下閘擋水，平時(shí)懸掛鎖定在姚江主航道上，位于樞紐建筑外立面中央，具有很強(qiáng)的視覺沖擊，其外觀需與樞紐整體現(xiàn)代風(fēng)格相協(xié)調(diào)，應(yīng)具有良好的質(zhì)感和視覺效果，對(duì)閘門外觀提出了極高要求。

鑒于上述特點(diǎn)和難點(diǎn)，超大跨度平面直升鋼閘門設(shè)計(jì)建造具有較大的挑戰(zhàn)性，特別是閘門入槽方法、質(zhì)量控制、外觀設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工安全等關(guān)鍵技術(shù)問題，需開展專項(xiàng)研究。

3關(guān)鍵技術(shù)研究及主要成果

3.1超大跨度閘門單元體劃分及入槽方法

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)面狹窄、閘門不能整體入槽的難題，考慮將閘門分節(jié)分段為單元體，在工廠制造后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，分單元體吊運(yùn)入槽，在門槽內(nèi)完成整體拼裝。因此，從以下方面進(jìn)行了專項(xiàng)研究。

3.1.1閘門單元體運(yùn)輸方案

通過實(shí)地調(diào)研，閘門單元體運(yùn)輸可采用全公路運(yùn)輸方案和水路運(yùn)輸為主的方案。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終采用全公路運(yùn)輸方案。

經(jīng)過路線勘察，調(diào)查沿途橋梁、涵洞、收費(fèi)站等控制站點(diǎn)的通行情況，確定單元體運(yùn)輸尺寸按寬度不大于4.50 m、長度不大于18.00 m、高度不大于3.83 m控制；單元體重量控制在50 t以內(nèi)。采用車輛底板高度為0.60 m的大型特種專用車輛在指定公路范圍內(nèi)運(yùn)輸。

3.1.2閘門三維有限元結(jié)構(gòu)分析

工作閘門具有跨度大、動(dòng)水啟閉、起吊重量大、鎖定環(huán)境差的特點(diǎn)。為使閘門分節(jié)分段避開應(yīng)力應(yīng)變大、應(yīng)力復(fù)雜、安全系數(shù)相對(duì)較小的區(qū)域，需弄清桁架平面閘門各部位受力狀態(tài)。采用數(shù)值模擬方法，通過有限元軟件對(duì)桁架平面閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算和穩(wěn)定分析，為閘門分段分節(jié)提供技術(shù)支撐。

綜合擋水、起吊、鎖定3種控制工況下的閘門應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果，對(duì)閘門分節(jié)分段提出如下要求：

① 閘門水平主桁架跨中一定范圍應(yīng)保持完整，不應(yīng)分段，跨中段長度宜為跨度的1/3，即15.00 m左右；

② 水平主桁架靠近閘門邊柱腹板區(qū)域不應(yīng)分段，至少應(yīng)在桁架梁邊柱第一節(jié)間以外分段；

③ 邊柱腹板受力復(fù)雜，應(yīng)保持邊柱上下完整和整體剛度，邊柱不應(yīng)上下分節(jié)。

3.1.3閘門單元體劃分及入槽方法

根據(jù)前述分析，結(jié)合閘門特點(diǎn)及要求，將閘門以分節(jié)、分段方式劃分為8個(gè)單元體，其中左右2件是垂直單元體、中間6件是水平單元體，如表2及圖2所示。

（1） 1號(hào)和8號(hào)單元體是閘門結(jié)構(gòu)的剛性區(qū)塊，主要由厚50 mm鋼板構(gòu)成。主要構(gòu)件承受閘門在起吊、擋水、鎖定3種控制工況下的全部荷載，應(yīng)力情況復(fù)雜。這兩個(gè)剛性區(qū)塊同時(shí)是側(cè)水封和主支承滑塊的設(shè)置區(qū)，整個(gè)區(qū)塊要求有極高的平面度、直線度和加工精度。所以上下應(yīng)保持完整，不應(yīng)分節(jié)。

對(duì)這兩段的分割方式也是按照閘門分單元體入槽方案的要求考慮的。閘門分體入槽時(shí)，要有一個(gè)在寬度方向盡量小的垂直單元體從門槽頂部落槽后，再同其他已入槽的組合單元體進(jìn)行焊接拼裝。

（2） 根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)受力分析成果，閘門在擋水、起吊、鎖定3種控制工況下，跨度方向的中心處左右2組結(jié)點(diǎn)之間區(qū)段內(nèi)的水平主桁架和面板會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的Mises應(yīng)力和上下、前后兩個(gè)方向的變形，其中前后順?biāo)鞣较蜃畲笞冃芜_(dá)到25.30 mm。為確保閘門安全可靠，保持跨度中心兩側(cè)2組結(jié)點(diǎn)之間的區(qū)段完整是必要的。按此要求，閘門兩側(cè)垂直單元體之間有9組結(jié)點(diǎn)的長度范圍將分割成3件單元體，上節(jié)和底節(jié)分割方式相同，共分為6件單元體。

（3） 閘門高度為8.30 m，由3榀水平主桁架從上往下均布構(gòu)成。因?yàn)殚l門底部有止水要求，閘門底部2～4號(hào)這3件單元體由兩榀水平桁架為主構(gòu)成，這樣形成的封閉結(jié)構(gòu)會(huì)使底部2～4號(hào)單元體剛度和穩(wěn)定性比上節(jié)各單元體明顯提高，底部3件同兩側(cè)共5件單元體在工廠內(nèi)預(yù)拼裝成門字型剛性結(jié)構(gòu)，具備在工廠內(nèi)進(jìn)行水封和支承滑塊定位安裝的條件，滿足出廠預(yù)驗(yàn)收的要求，也為工地入槽后焊接拼裝先形成剛性區(qū)塊創(chuàng)造了有利條件。

因閘門上節(jié)的5～7號(hào)單元體中僅有一榀水平主桁架無法形成封閉結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生彎曲和扭曲變形，應(yīng)采取臨時(shí)加固措施解決。

（4） 為了防止各單元體分節(jié)分段處在現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝時(shí)出現(xiàn)交叉焊縫，造成應(yīng)力集中，對(duì)閘門中部2～7號(hào)單元體之間垂直分割面錯(cuò)開0.80 m以上。

8件單元體在工廠制造完成，整體預(yù)拼裝并驗(yàn)收合格，拆分后直接運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，按1→2→3→4→5→6→7→8順序依次吊裝入槽，在門槽內(nèi)完成閘門整體焊接拼裝。

閘門分段分節(jié)入槽安裝關(guān)鍵技術(shù)解決了超大跨度閘門不能整體入槽的問題，有效減少現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量和工作面占?jí)簳r(shí)間，縮短了工期，既實(shí)現(xiàn)了閘門跨中不被分段，也保持了兩端剛性區(qū)塊完整和側(cè)向水封安裝面不被分割，有力保證了兩端水封、支承滑塊的安裝精度。

3.2超大跨度平面閘門質(zhì)量保證關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)行GB/T 14173-2008《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定了平面閘門制造、組裝的公差或極限偏差要求，對(duì)于寬度不超過20 m的平面閘門，從寬度5 m開始，每增加5 m，允許偏差同步增加1～3 mm；而對(duì)于寬度超過20 m的平面閘門，不論寬度多大，僅在20 m允許偏差基礎(chǔ)上增加1～3 mm。寬度47.6 m的擋洪閘門允許偏差與寬度25 m的閘門允許偏差相同，即寬度增加了5檔，允許偏差僅增加1檔。此外，對(duì)于門葉橫向直線度、豎向直線度、底緣直線度、底緣傾斜度及兩邊梁底緣平面度等的允許偏差，不論跨度大小，僅規(guī)定了一個(gè)限制數(shù)，這不僅對(duì)閘門單元體制作，更對(duì)單元體槽內(nèi)整體拼裝提出了極為嚴(yán)苛的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于將超大跨度閘門同時(shí)分節(jié)、分段，主梁4次分割成為8件單元體，運(yùn)到工地現(xiàn)場(chǎng)再用焊接方式拼接的方案，因主梁被多次分割后經(jīng)焊接拼接形成整體的累積誤差會(huì)增大，其允許偏差也不可避免地存在線性增加的客觀事實(shí)，這是擋洪閘門制造安裝必須面臨的一個(gè)關(guān)鍵性問題。

為保證超大跨度工作閘門質(zhì)量滿足規(guī)范要求，在閘門制造、安裝過程中首次采用智能測(cè)量及BIM虛擬拼裝技術(shù)，通過激光跟蹤智能測(cè)量，對(duì)每件單元體進(jìn)行外形尺寸的測(cè)量和定位，取得相應(yīng)的三維形位數(shù)據(jù)，并進(jìn)行BIM虛擬拼裝，復(fù)核單元體虛擬拼裝形成整體后的相關(guān)尺寸，通過高精度大件三維測(cè)量，能輸出可靠和精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，為大跨度閘門整體拼裝質(zhì)量滿足規(guī)范要求提供關(guān)鍵性的技術(shù)支撐。在此基礎(chǔ)上，通過“控制單元體形位公差、整體預(yù)拼裝精確定位裝置、門槽設(shè)置可調(diào)拼裝平臺(tái)、門葉約束控制、控制焊接次序、精準(zhǔn)預(yù)留焊接收縮量”等一系列關(guān)鍵技術(shù)，使超大跨度閘門在門槽內(nèi)拼裝的整體質(zhì)量滿足GB/T 14173-2008《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范》中20 m寬度平面閘門質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，詳見表3。

3.3大型景觀浮雕與水工鋼閘門結(jié)合技術(shù)

西分工程擋洪閘工作閘門寬47.60 m，高8.30 m，整幅面板面積約395 m2。如此規(guī)模的閘門僅在汛期較短時(shí)段下閘擋水，平時(shí)懸掛鎖定在姚江主航道上，具有很強(qiáng)的視覺沖擊效果。結(jié)合擋洪閘工作閘門使用功能，在閘門面板上首次采用浮雕飾面。閘門上游側(cè)配置的浮雕畫面是以中國漢代傳統(tǒng)的畫像磚為造型基礎(chǔ)和構(gòu)圖原則，整幅畫面由3幅景象內(nèi)容組成：中間人物為大禹及其所代表的偉大勞動(dòng)人民，左側(cè)是河姆渡文化最為顯著的儲(chǔ)存器皿制作景象，右側(cè)是治水之后所帶來的安寧農(nóng)耕文明。

擋洪閘門下游側(cè)配置文字，閘門上、下游飾面設(shè)計(jì)見圖3。

該浮雕安裝于閘門面板，懸掛在航道上方，主要供過往船只乘客和兩岸行人觀賞，屬于高部位、中遠(yuǎn)距離觀賞的大型浮雕。浮雕采用多層次結(jié)構(gòu)，人物和動(dòng)物浮高控制在150～200 mm，其它景觀（如山脈、流水、星星、云彩等）浮高控制在50～150 mm，利用層次重疊效果，使畫面上產(chǎn)生明顯的納光和納陰效果，有輪廓清晰、立體感強(qiáng)、形象逼真的視覺沖擊。

上游側(cè)浮雕面積360 m2，連同底架總重量約8 t。工作閘門啟閉及擋水過程中，如何保證浮雕在江水浸泡沖刷、漂浮物沖擊和淤泥頂托擠壓等情況下牢固不脫落、不開裂、不變形，是水工鋼閘門采用浮雕飾面必須解決的問題。采用“內(nèi)襯底架+空腔填充”的工藝可提高浮雕強(qiáng)度、剛度；采用浮雕底架與閘門螺栓連接、浮雕板周邊與閘門面板焊接的雙重組合連接方式，以及在浮雕底部設(shè)置防護(hù)裝置等技術(shù)措施，解決了工作閘門運(yùn)行各種工況下的浮雕強(qiáng)度、剛度，以及浮雕與閘門聯(lián)結(jié)可靠性問題。

3.4超大跨度閘門拼裝安全防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

因工期極為緊張，在門槽內(nèi)拼裝閘門的時(shí)段，門槽正上方的樞紐人行廊橋及觀光幕墻也在安裝。怎樣消除上、下工作面同時(shí)作業(yè)帶來的安全隱患，是門槽內(nèi)拼裝閘門必須解決的又一個(gè)難題。如從閘室底板滿堂搭設(shè)安全防護(hù)棚和人行廊橋幕墻安裝平臺(tái)，高度將達(dá)30 m，不僅會(huì)使閘室空間區(qū)域運(yùn)輸?shù)跹b受限，而且搭拆工作量大、周期長、費(fèi)用高。為此研究采用“懸吊式門槽防護(hù)棚兼做人行廊橋及幕墻安裝平臺(tái)”方案（圖4），即在人行廊橋主體桁架吊裝就位情況下，在其下方滿堂懸吊封閉防護(hù)棚，既為門槽閘門拼裝提供安全防護(hù)，有效消除立體交叉作業(yè)所帶來的安全隱患，且閘室運(yùn)輸空間未受影響，也為人行廊橋及幕墻安裝提供了施工平臺(tái)，顯著減少工期和施工費(fèi)用。

4結(jié) 論

瑤街弄調(diào)控樞紐項(xiàng)目超大跨度平面鋼閘門設(shè)計(jì)建造面臨不能整體入槽、質(zhì)量要求嚴(yán)、外觀要求高、現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)和難點(diǎn)，并且作為EPC總包項(xiàng)目，既要考慮技術(shù)可行性，還需要綜合考慮工期和經(jīng)濟(jì)性，這對(duì)EPC總承包方是一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文結(jié)合項(xiàng)目的特點(diǎn)和難點(diǎn)，通過深入分析研究，提出了適宜的解決方案：

（1） 提出了一種超大跨度平面鋼閘門分段分節(jié)安裝方法，解決了閘門不能整體入槽的難題。

（2） 提出了一種在門槽內(nèi)拼裝閘門的質(zhì)量保障技術(shù)，并形成平面鋼閘門建造質(zhì)量保證技術(shù)體系，使超大跨度平面鋼閘門在門槽內(nèi)拼裝的整體質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

（3） 研究了大型景觀浮雕與水工鋼閘門結(jié)合技術(shù)，既實(shí)現(xiàn)與樞紐整體風(fēng)格相協(xié)調(diào)的觀賞效果，又達(dá)到安全可靠、經(jīng)久耐用的目標(biāo)。

（4） 發(fā)明了一種閘門現(xiàn)場(chǎng)拼裝的安全防護(hù)裝置，使門槽上、下工作面可同時(shí)施工，有效降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，顯著縮短工期，減少施工費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)：

［1］宋志忠，王程，余勝祥，等.姚江上游余姚西分項(xiàng)目-瑤街弄調(diào)控樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.武漢：長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，2018.

（編輯：胡旭東）